CN115663906B - 一种基于微单元系统的家用电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏发电技术领域，公开了一种基于微单元系统的家用电站，包括若干个智能微单元系统，每个智能微单元系统均包括若干个智能光伏组件、微组串控制单元和智能接线盒，每个智能接线盒与对应的智能光伏组件之间一体化设置，家用电站还包括用户配电箱和网关，网关能够与云端服务器之间信号连接。本发明将智能接线盒直接集成在智能光伏组件的内部，避免常见的微型逆变器需要额外找寻安装位置，各级单元之间的模块化、组件化设置，能够按照需要进行扩展或者改变执行方式，利于在各个地域的使用；并且本发明能够将损坏的网关的功能转移到另一完好的网关，能够在部分线路产生故障时，减轻或者消弭线路故障产生的影响，进而减轻对电网的压力。

Description

一种基于微单元系统的家用电站

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体为一种基于微单元系统的家用电站。

背景技术

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。然而，在人类享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题直接威胁着人类的生存和发展，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。太阳能、风能、水能、潮汐能等可再生能源的利用被普遍看好，其中太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，有着巨大的开发利用潜力。

中国专利申请CN103890956A公开了一种光伏发电系统，该系统包括多个光伏串，这些串中的至少一个为由多个集成光伏电池模块组成的串，并且每个模块包括一个光伏电池和一个与该光伏电池进行电气通信的初级阶段功率效率优化器，调整该光伏电池的输出电压和电流，减少由于与来自该串的这些集成光伏电池模块的输出的差异而导致的该串的输出功率损耗；每个次级阶段功率效率优化器与这些光伏串中的至少一个光伏串电连接，调整该至少一个光伏串的输出电压和电流，降低由于与这些串的输出的差异而导致的该系统的输出功率损耗；以及一个中央逆变器，该中央逆变器与该多个次级阶段功率效率优化器电连接。解决PV电池模块性能上的无规律性、工作和环境条件或制造上的缺陷，并且减少所需导线和逆变器的数量和大小。

但是其中以及现有技术中通常采用微型逆变器将太阳能转换为电能，并且由于微型逆变器的体积较大，需要特别为微型逆变器系统找到固定的安装位置，导致现有微型逆变器系统的设置成本较高安装复杂，并且常见的光伏组件其中部分被遮挡的情况下，整体发电效率会有极大的下降；

并且现有的光伏发电系统无法对光伏发电中的电路损坏进行识别，在日常的维护或者损坏维修过程中，需要大量时间进行故障定位和故障的种类判断，使得整个光伏发电系统维护复杂，需要大量时间进行维护，导致光伏发电系统长时间无法工作。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于微单元系统的家用电站，具备系统模块化设计一体化集成、即插即用装配简单、发电量高、成本低、安全可靠、故障识别和定位、智能调节等优点，解决了现有的微型逆变器系统成本高、发电效率低、安装不便，不具备故障识别和定位功能的问题，进一步提高了家用电站的发电量，使得家用电站更加安全可靠灵活。

（二）技术方案

一种基于微单元系统的家用电站，包括若干个智能微单元系统，若干个所述智能微单元系统之间通过电路连接，每个所述智能微单元系统均能够选择地向市电和家用电路供电；每个所述智能微单元系统均包括若干个智能光伏组件和微组串控制单元，每个所述智能光伏组件背部均设置有智能接线盒，每个所述智能接线盒与对应的所述智能光伏组件之间一体化设置，若干个所述智能接线盒均与所述微组串控制单元之间电连接；所述微组串控制单元装配在所述智能光伏组件的背面；所述智能光伏组件能够接收太阳能进行发电，发电产生可变的直流电通过所述智能接线盒将可变的直流电转换为稳定的直流电传输给所述微组串控制单元，稳定的直流电再通过所述微组串控制单元转化为用户可使用的交流电；所述家用电站还包括用户配电箱和网关，多个所述智能微单元系统中的多个微组串控制单元之间并联后接入所述用户配电箱；所述网关能够与云端服务器之间信号连接，所述网关将所述云端服务器下发的控制信号分别传输给对应的微组串控制单元，根据控制信号，各个所述微组串控制单元能够选择将向用户可使用的交流电向市电供给和向家庭供给；根据控制信号，各个所述微组串控制单元还能够独立进行关断和限制对应的所述智能光伏组件发电。

优选地，所述微组串控制单元能够通过螺丝固定、插接固定、粘贴固定中的任意一种固定方式或多种固定方式的组合固定在所述智能光伏组件的背面。

优选地，所述微组串控制单元内部设置有电源模块、通信控制模块、功率控制模块和执行模块；所述电源模块能够将输入的稳定的直流电转换为各种电压等级的供电电压；所述通信控制模块能够在所述微组串控制单元建立信号交流网络，所述通信控制模块能够根据所述微组串控制单元的运行情况向所述功率控制模块下发工作模式切换信号；所述通信控制模块还能够与所述网关之间建立信号交互通道，获取经过所述网关下发的控制信号；所述功率控制模块能够运行功率控制模块内置的控制策略和算法，实现所述微组串控制单元的功能；所述功率控制模块还能够与所述通信控制模块之间进行信号交互，实时获取所述微组串控制单元的运行情况，并且根据所述通信控制模块下发的工作模式切换信号切换不同的工作模式；所述执行模块能够根据所述通信控制模块获取的控制信号，执行相应的操作。

优选地，所述微组串控制单元内部还设置有故障识别模块，所述故障识别模块能够根据电力载波的变化，判断在当前的所述智能光伏组件中是否存在故障；并且所述故障识别模块能够根据电力载波的变化，判断故障具体产生的位置和故障的种类；所述网关能够根据电力载波信号和所述故障识别模块判断出的故障具体产生的位置和故障的种类，下发控制信号，调节所述微组串控制单元的运行状态。

优选地，所述智能接线盒内部设置有追踪模块、关断模块和PLC控制模块；所述追踪模块用于调节所述智能光伏组件的输出功率；所述关断模块在所述智能光伏组件产生故障时，将所述智能光伏组件进行断电保持所述智能光伏组件的外部绝缘；所述PLC控制模块能够执行内置的控制功能，所述PLC控制模块还能够与所述微组串控制单元之间进行信号交互。

优选地，在同一个智能微单元系统内部，各个智能光伏组件能够通过各自底部设置的智能接线盒进行接线；在同一个所述智能光伏组件内部，各个智能光伏组件通过各自底部设置的智能接线盒与所述微组串控制单元之间的接线方式为串联、并联、串并联结合中的任意一种。

优选地，所述云端服务器分别与用户控制终端和总栈控制中心连接；在每个智能微单元系统中，网关能够将各个微组串控制单元以及各个智能接线盒上传至网关的信息，上传至云端服务器。

优选地，用户控制终端和总栈控制中心能够通过云端服务器向各个所述网关下发控制信号，通过所述网关下发的控制信号，分别控制所述网关对应的所述微组串控制单元和所述智能接线盒执行操作。

优选地，所述家用电站在每户家庭中能够设置多个，当一个家用电站的网关损坏时，另一个家用电站的网关能够介入网关损坏的家用电站，介入的网关能够分别向两个家用电站的所述微组串控制单元和所述智能接线盒下发控制信号。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于微单元系统的家用电站，具备以下有益效果：

1、该种基于微单元系统的家用电站的智能微单元系统内部集成智能接线盒和智能光伏组件，将智能接线盒直接集成在智能光伏组件的内部，通过这种一体化设置，避免常见的微型逆变器需要额外找寻安装位置，使得智能微单元系统的家用安装简单易行，该种基于微单元系统的家用电站，各级单元之间的模块化、组件化设置，能够按照需要进行扩展或者改变执行方式，利于在各个地域的使用，为大规模推行奠定基础。

2、该种基于微单元系统的家用电站的智能微单元系统中，智能接线盒与全面屏的智能光伏组件一体化结合，减少了日常使用过程中智能微单元系统的表面积灰，提高发电效率，降低积灰对发电效率的影响，提高微组串控制单元的发电量。

3、该种基于微单元系统的家用电站中的智能接线盒能够对应管理智能光伏组件的某一块，在智能接线盒的控制下该种智能光伏组件中，仅有被遮挡或干扰部分的智能光伏组件的某一块失效，其他部分的智能光伏组件仍旧能够进行正常工作，执行正常的发电功率，保证整个智能光伏组件的发电效率，维持发电的稳定性。

4、该种基于微单元系统的家用电站中的智能接线盒能够监控其对应的智能光伏组件中的一部分的发电状态，能够控制和调节该部分的运行模式，使得该区与能够独立地进行最大功率的发电，并且能够采集并监控该部分的发电状态根据控制逻辑以及采集数据对比判断该区域的故障情况；且在每个智能光伏组件中，每个智能接线盒能够根据当前的智能光伏组件进行串并联操作，从而获取在实际应用中，通过该智能光伏组件实际获取的电压和电流。

5、该种基于微单元系统的家用电站的微组串控制单元中的故障识别模块能够通过利用PLC信号传播的速率、信号数据量以及传播的时间差可以准确地定位到每一个微组串控制单元所在电站中的电气连接位置，以便故障时快速的进行分析和解决，提高家用电站的维修效率，减少故障带来的影响和损失。

6、该种基于微单元系统的家用电站，能够将损坏的网关的功能转移到另一完好的网关，能够在部分线路产生故障时，保障整体的运行，减轻或者消弭线路故障产生的影响，保障整体发电的功率，防止功率降低过大，减少电网补偿带来的波动，进而减轻对电网的压力。

附图说明

图1为本发明的智能光伏组件与智能接线盒的安装结构示意图之一；

图2为本发明的智能光伏组件与智能接线盒的安装结构示意图之二；

图3为本发明的智能微单元系统的安装结构示意图；

图4为本发明的一个家用电站的组成结构示意图；

图5为本发明的多个家用电站的网络通讯示意图；

图6为本发明的多个家用电站组合结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于微单元系统的家用电站。

请参阅图1-图5，一种基于微单元系统的家用电站，包括若干个智能微单元系统，若干个智能微单元系统之间通过电路连接，每个智能微单元系统均能够选择地向市电和家用电路供电；

其中，智能微单元系统分别向市电和家用电路供电的技术为现有电网技术中的常用接电手段，在此不再赘述，智能微单元选择性向市电和家用电路的方式为：在未通过网关下发具体向市电和家用电路中供电的功率时，各个智能微单元发出的电力首先满足家用电路需要电力后，额外电力向市电进行供电；

每个智能微单元系统均包括若干个智能光伏组件和微组串控制单元，每个智能光伏组件背部均设置有智能接线盒，每个智能接线盒与对应的智能光伏组件之间一体化设置，若干个智能接线盒均与微组串控制单元之间电连接；

微组串控制单元（在本实施例中，微组串控制单元能够执行现有技术中的微型逆变器的全部功能，并能够额外执行本实施例中限定的其他功能）装配在智能光伏组件的背面，智能光伏组件的正面为全面屏设置，降低智能光伏组件的表面积灰，通过智能接线盒与智能光伏组件之间的一体化设计，将智能接线盒直接集成在智能光伏组件的边框上，避免常见的微型逆变器需要额外找寻安装位置，使得智能微单元系统的家用安装简单易行；

智能光伏组件能够接收太阳能进行发电，发电产生可变的直流电通过智能接线盒将可变的直流电转换为稳定的直流电传输给微组串控制单元，稳定的直流电再通过微组串控制单元转化为用户可使用的交流电；

家用电站还包括用户配电箱和网关，多个智能微单元系统中的多个微组串控制单元之间并联后接入用户配电箱；

网关能够与云端服务器之间信号连接，网关将云端服务器下发的控制信号分别传输给对应的微组串控制单元，根据控制信号，各个微组串控制单元能够选择将向用户可使用的交流电向市电供给和向家庭供给；根据控制信号，各个微组串控制单元还能够独立进行关断和限制对应的智能光伏组件发电；

其中，云端服务器下发的控制信号，即网关向各个微组串控制单元发出的控制信号包括关机指令、限制功率指令、功率调节指令和安全切断指令等；

该种基于微单元系统的家用电站的智能微单元系统内部集成智能接线盒和智能光伏组件，将智能接线盒直接集成在智能光伏组件的内部（参见图1和图2），通过这种一体化设置，避免常见的微型逆变器需要额外找寻安装位置，使得智能微单元系统的家用安装简单易行，并且通过智能接线盒与全面屏的智能光伏组件一体化结合，减少了日常使用过程中智能微单元系统的表面积灰，提高发电效率，降低积灰对发电效率的影响，提高微组串控制单元的发电量。

由于每块智能光伏组件内部均包含若干个智能接线盒，并且智能接线盒集成在智能光伏组件的内部，智能接线盒能够管理同一智能光伏组件中的一部分（即背景技术中的PV组件的一部分区域），智能接线盒能够对应管理智能光伏组件的某一块（参见图1和图2中，智能接线盒能够控制与其接触的同一颜色深度的一部分智能光伏组件），在智能光伏组件的某一部分被遮挡或者干扰时，常规的光伏组件整体发电效率大幅下降，在本实施例的智能光伏组件中，仅有被遮挡或干扰部分的智能光伏组件的某一块失效，其他部分的智能光伏组件仍旧能够进行正常工作，执行正常的发电功率，保证整个智能光伏组件的发电效率，维持发电的稳定性。

通过将智能接线盒直接集成在智能光伏组件的内部上，能够有效背面常见光伏逆变器的连接容易松动，难以将光伏组件与接线盒之间匹配的问题；

并且通过全面屏设置的智能光伏组件，有效降低常见光伏组件表面容易积灰的问题；

通过上述方式，该种基于微单元系统的家用电站能够降低投入成本、提高发电效率。

微组串控制单元能够通过螺丝固定、插接固定、粘贴固定中的任意一种固定方式或多种固定方式的组合固定在智能光伏组件的背面，使得能够在家用电站安装之前，首先将微组串控制单元固定在智能光伏组件的背面，微组串控制单元与智能接线盒之间分别电连接，使得每个智能微单元系统能够模块化进行设置，通过智能微单元系统以及智能微单元系统自身内部智能光伏组件的模块化、组件化设置，能够按照需要进行扩展或者改变执行方式，利于在各个地域的使用，为大规模推行奠定基础。

微组串控制单元内部设置有电源模块、通信控制模块、功率控制模块和执行模块；

电源模块能够将输入的稳定的直流电转换为各种电压等级的供电电压，其中电源模块为现有技术中的常用的进行电压电流转换的变压器和变流器的组合，能够进行电压和电流的转换，具体工作原理在此不再赘述；

通信控制模块能够在微组串控制单元建立信号交流网络，通信控制模块能够根据微组串控制单元的运行情况向功率控制模块下发工作模式切换信号；其中，工作模式切换信号包括：关闭信号、转换电流调整信号、转换电压调整信号、功率调整信号等；

通信控制模块还能够与网关之间建立信号交互通道，获取经过网关下发的控制信号；

功率控制模块能够运行功率控制模块内置的控制策略和算法，实现微组串控制单元的功能；

其中，功率控制模块内置的控制策略和算法为现有技术中电力系统中常见的调整输出功率、输出电压、输出电流的控制策略和算法，在此不再赘述；

功率控制模块还能够与通信控制模块之间进行信号交互，实时获取微组串控制单元的运行情况，并且根据通信控制模块下发的工作模式切换信号（工作模式切换信号包括：关闭信号、转换电流调整信号、转换电压调整信号、功率调整信号等）切换不同的工作模式，进而调节通过微组串控制单元输出的电流功率；

执行模块能够根据通信控制模块获取的控制信号（其中，通信控制模块获取的控制信号包括关机指令、限制功率指令、功率调节指令和安全切断指令等，其中此处的功率调节指令与功率控制模块的调整输出功率不同，此处的功率调节指令为从网关直接获取的功率调节指令，优先级高于功率控制模块的调整输出功率，能够覆盖功率控制模块的调整输出功率功能），执行相应的操作。

微组串控制单元内部还设置有故障识别模块，故障识别模块能够根据电力载波的变化，判断在当前的智能光伏组件中是否存在故障；

并且故障识别模块能够根据电力载波的变化，判断故障具体产生的位置和故障的种类；

其中，故障识别模块的根据电力载波（在本实施例中电力载波优选为PLC载波信号）的变化，判断故障具体产生的位置和故障的种类的步骤如下：

S1、获取同一智能微单元系统中微组串控制单元所连接的全部智能光伏组件，并按照其与微组串控制单元的线路距离关系，将全部智能光伏组件串联成组串；

S2、在同一智能微单元系统中，根据S1中的全部智能光伏组件串联成的组串，生成该智能微单元系统的拓扑走线和位置信息，并且根据该智能微单元系统的拓扑走线和位置信息生成该智能微单元系统的连接图纸；

S3、根据各个智能接线盒与微组串控制单元之间的PLC载波信号的传输延时T和传输速度S计算出损坏节点与微组串控制单元之间的距离D；

S3.1、获取传输延迟T的各个时间节点；

微组串控制单元作为主节点，各个设备（智能接线盒、智能光伏组件）作为子节点，主节点和子节点内部均设置有高精度计时模块（本实施例中，高精度计时模块的型号优选为SKG121T）；

在进行故障检测前，微组串控制单元发送携带时间的报文广播发给所有的子节点，子节点收到携带时间的报文广播后进行时间的同步，将微组串控制单元和各个设备内置的高精度计时模块内部时间同步；

在进行故障检测时，微组串控制单元发送拓扑识别报文，并且拓扑识别报文内部携带主节点发送拓扑识别报文的时间T1，子节点收到拓扑识别报文时，解析出T1，并且记录接收时间T2，然后各个子节点向主节点发送回传识别报文；

其中回传识别报文内部包括回传识别报文的发送时间T3以及T1和T2；

主节点（微组串控制单元）接收到回传识别报文时，记录接收时间T4；

其中上述各个时间T1、T2、T3、T4的时间均为对应的主节点和子节点内置的高精度计时模块计时；

S3.2、根据S3.1中获取的各个时间节点，计算PLC载波信号的传输延时T；

其中，PLC载波信号的传输延时T的计算公式为：

；

S3.3、计算损坏节点与微组串控制单元之间的距离D；

在故障检测过程中，故障的子节点（损坏节点，智能接线盒、智能光伏组件等家用电站组件）在接收到拓扑识别报文后，再向主节点发送回传识别报文内部携带故障信号；

主节点在接收到故障信号时，判断对应的子节点（损坏节点）具有故障，将该损坏节点在主节点中进行标记，将该损坏节点此次的T1、T2、T3、T4标记为T1损、T2损、T3损、T4损，将T1损、T2损、T3损、T4损代入公式

后，获取该损坏节点与微组串控制单元之间的传输延时T损；

损坏节点与微组串控制单元之间的距离D损为PLC载波信号的传输延时T损和传输速度S的乘积，即D损=S×T损；

其中传输速度S可通过TX5111B便携式载波通信综合测试仪进行测量；

此外，在故障检测过程中，损坏节点无法接收拓扑识别报文或者无法向主节点发送回传识别报文时，主节点无法接收到该损坏节点回传信号，即能够在主节点内部标记，并识别出该节点为损坏节点。

S4、通过最小生成树算法，结合S2步骤中生成的智能微单元系统的连接图纸，区分出各个智能光伏组件的拓扑关系，初步确认智能微单元系统中的故障点位；

一个有n个结点的连通图的生成树是原图的极小连通子图（即S2步骤中获取的该智能微单元系统的连接图纸），且包含原图中的所有n个节点（各个智能接线盒、智能光伏组件以及连接线路），并且有保持图连通的最少的边；

在一给定的无向图G=(V，E)中，(u，v)代表连接顶点u与顶点v的边（顶点u与顶点v分别代表了该智能微单元系统的微组串单元、各个智能接线盒、智能光伏组件以及连接线路），而w(u，v)代表此边的权重（该智能微单元系统各个元器件之间的距离），若存在T为E的子集且为无循环图，使得联通所有结点的w(T)最小，则此T为G的最小生成树；

其中，通过最小生成树算法，判断出S3步骤中计算出的损坏节点与微组串控制单元之间的距离D，以距离D作为最小生成树的最短路径，以S2步骤中获取的该智能微单元系统的连接图纸，判断出与最小生成树的最短路径相匹配的微组串控制单元连接的节点，此节点即为初步确认智能微单元系统中的故障点位；

S5、通过PLC载波信号的信噪比和衰减信息矫正距离信息是否准确，确定智能微单元系统中的故障点位；其中，基于PLC载波信号的信噪比和衰减信息判断故障位置的距离信息为现有技术中的常见技术手段，在此不再赘述；

S6、根据确定的故障点位，判断出故障点位的电气元件种类，并且根据故障点位的电气元件种类判断该电气元件的损坏类型；

其中，如果故障点位在连接线路上，则判断该连接线路断路损坏；如果故障点位在智能接线盒上，则根据该智能接线盒是否能够向微组串控制单元传输信息，判断该智能接线盒的损坏类型是通信损坏还是电路损坏，如果故障点位在智能光伏组件上，则判断该智能光伏组件损坏，并由专业人员判断其损坏类型。

网关能够根据电力载波信号和故障识别模块判断出的故障具体产生的位置和故障的种类，下发控制信号，调节微组串控制单元的运行状态。

其中，网关能够在电力载波信号中根据检测时间的电压、电流信息，区分故障位置所在的组串，获取到故障所在的智能微单元系统，并能够像根据电力载波信号和故障识别模块判断出的故障具体产生的位置和故障的种类，向故障所在的智能微单元系统下发控制信号，调节故障所在的智能微单元系统的微组串控制单元的运行状态。

智能接线盒内部设置有追踪模块、关断模块和PLC控制模块；

追踪模块用于调节智能光伏组件的输出功率，其中追踪模块调节智能光伏组件输出功率的方式通过MPPT控制器，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）控制器的具体工作原理为现有技术中的常见对光伏系统调节功率的手段，在此不再赘述；

关断模块在智能光伏组件产生故障时，将智能光伏组件进行断电保持智能光伏组件的外部绝缘；

PLC控制模块能够执行内置的控制功能，PLC控制模块还能够与微组串控制单元之间进行信号交互，其中PLC控制模块内置的控制功能为自我协调功能。

其中，PLC控制模块的自我协调功能如下：

通过PLC控制模块中内置的算法，能够将各个智能光伏组件背面设置的智能接线盒进行无感配网，在家用电站所组成的网络中，以主节点（网关）为中心，各个智能接线盒之间以及各个微组串单元之间采用树形拓扑网络；当主节点（网关）损坏时，各个智能接线盒之间以及各个微组串单元之间采用无头端MUSH网络；

其中树形拓扑网络中各个智能接线盒之间无法互相通信连接、各个微组串单元之间也不能互相通信连接，两个智能接线盒之间的通信连接仅能通过一个智能接线盒经过微组串单元上传到网关再经过微组串单元下发至另一个智能接线盒，两个微组串单元之间的通信连接仅能通过一个微组串单元上传到网关再下发至另一个微组串单元；

其中，无头端MUSH网络中，仅在主节点（网关）损坏时，各个智能接线盒之间无法互相通信连接，各个微组串单元之间能够通过MUSH网络连接，两个智能接线盒之间的通信连接仅能通过一个智能接线盒上传至微组串单元再经过微组串单元（此处可以是同一个微组串单元，也可以是另外的一个微组串单元）下发至另一个智能接线盒。

智能接线盒的PLC控制模块采用高精度对时机制，能够定时将载波节点信息主动上报，节省网关（云端、用户端以及控制后台）的报文信道开销，微组串单元能够汇集其连接的智能接线盒的上报信息，进一步节省下行信道，进一步提高网络效率。

智能接线盒能够监控其对应的智能光伏组件中的一部分的发电状态，能够通过PLC控制模块控制和调节该部分的运行模式，使得该区与能够独立地进行最大功率的发电，并且能够通过PLC控制模块采集并监控该部分的发电状态（包括发电功率、发电电压等），然后PLC控制模块根据控制逻辑（控制的功率与当前发电功率不相同等控制逻辑不同）以及采集数据对比（如实际发电功率为0等）判断该区域的故障情况；

并且在每个智能光伏组件中，每个智能接线盒能够根据当前的智能光伏组件进行串并联操作，从而获取在实际应用中，通过该智能光伏组件实际获取的电压和电流。

在同一个智能微单元系统内部，各个智能光伏组件能够通过各自底部设置的智能接线盒进行接线；在同一个智能光伏组件内部，各个智能光伏组件通过各自底部设置的智能接线盒与微组串控制单元之间的接线方式为串联、并联、串并联结合中的任意一种，从而能够根据家用电站的实际需要，选用多个智能光伏组件进行电路连接，通过接线方式的不同，提供不同的输出模式，以适应实际需要。

云端服务器分别与用户控制终端和总栈控制中心连接；在每个智能微单元系统中，网关能够将各个微组串控制单元以及各个智能接线盒上传至网关的信息，上传至云端服务器。

用户控制终端和总栈控制中心能够通过云端服务器向各个网关下发控制信号，通过网关下发的控制信号，分别控制网关对应的微组串控制单元和智能接线盒执行操作。

其中，用户通过用户控制终端（手机APP、网页等方式）以及维护人员通过总栈控制中心（web系统后台等方式）输入控制信息和查看家用电站的各个组件的运行情况，输入的控制信息，再经过云端服务器向对应的网关下发控制信号，控制网关对应的微组串控制单元和智能接线盒执行操作。

请参考图6，家用电站在每户家庭中能够设置多个，当一个家用电站的网关损坏时，另一个家用电站的网关能够介入网关损坏的家用电站，介入的网关能够分别向两个家用电站的微组串控制单元和智能接线盒下发控制信号，能够将损坏的网关的功能转移到另一完好的网关，能够在部分线路产生故障时，保障整体的运行，减轻或者消弭线路故障产生的影响，保障整体发电的功率，防止功率降低过大，减少电网补偿带来的波动，进而减轻对电网的压力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于微单元系统的家用电站，其特征在于：包括若干个智能微单元系统，若干个所述智能微单元系统之间通过电路连接，每个所述智能微单元系统均能够选择地向市电和家用电路供电；

每个所述智能微单元系统均包括若干个智能光伏组件和微组串控制单元，每个所述智能光伏组件背部均设置有智能接线盒，每个所述智能接线盒与对应的所述智能光伏组件之间一体化设置，若干个所述智能接线盒均与所述微组串控制单元之间电连接；

所述微组串控制单元装配在所述智能光伏组件的背面；

所述智能光伏组件能够接收太阳能进行发电，通过所述智能接线盒将发电产生的可变的直流电转换为稳定的直流电传输给所述微组串控制单元，稳定的直流电再通过所述微组串控制单元转化为用户可使用的交流电；

所述家用电站还包括用户配电箱和网关，多个所述智能微单元系统中的多个微组串控制单元之间并联后接入所述用户配电箱；

所述网关能够与云端服务器之间信号连接，所述网关将所述云端服务器下发的控制信号分别传输给对应的微组串控制单元，根据控制信号，各个所述微组串控制单元能够选择将向用户可使用的交流电向市电供给和向家庭供给；根据控制信号，各个所述微组串控制单元还能够独立进行关断和限制对应的所述智能光伏组件发电；

所述微组串控制单元内部设置有电源模块、通信控制模块、功率控制模块和执行模块；

所述电源模块能够将输入的稳定的直流电转换为各种电压等级的供电电压；

所述通信控制模块能够在所述微组串控制单元建立信号交流网络，所述通信控制模块能够根据所述微组串控制单元的运行情况向所述功率控制模块下发工作模式切换信号；

所述通信控制模块还能够与所述网关之间建立信号交互通道，获取经过所述网关下发的控制信号；

所述功率控制模块能够运行功率控制模块内置的控制策略和算法，实现所述微组串控制单元的功能；

所述功率控制模块还能够与所述通信控制模块之间进行信号交互，实时获取所述微组串控制单元的运行情况，并且根据所述通信控制模块下发的工作模式切换信号切换不同的工作模式；

所述执行模块能够根据所述通信控制模块获取的控制信号，执行相应的操作；

所述微组串控制单元内部还设置有故障识别模块，所述故障识别模块能够根据电力载波的变化，判断在当前的所述智能光伏组件中是否存在故障；

并且所述故障识别模块能够根据电力载波的变化，判断故障具体产生的位置和故障的种类，步骤如下：

S1、获取同一智能微单元系统中微组串控制单元所连接的全部智能光伏组件，并按照其与微组串控制单元的线路距离关系，将全部智能光伏组件串联成组串；

S2、在同一智能微单元系统中，根据S1中的全部智能光伏组件串联成的组串，生成该智能微单元系统的拓扑走线和位置信息，并且根据该智能微单元系统的拓扑走线和位置信息生成该智能微单元系统的连接图纸；

S3、根据各个智能接线盒与微组串控制单元之间的PLC载波信号的传输延时T和传输速度S计算出损坏节点与微组串控制单元之间的距离D；

S3.1、获取传输延迟T的各个时间节点；

微组串控制单元作为主节点，智能接线盒、智能光伏组件作为子节点，主节点和子节点内部均设置有高精度计时模块；

在进行故障检测前，微组串控制单元发送携带时间的报文广播发给所有的子节点，子节点收到携带时间的报文广播后进行时间的同步，将微组串控制单元和各个设备内置的高精度计时模块内部时间同步；

在进行故障检测时，微组串控制单元发送拓扑识别报文，并且拓扑识别报文内部携带主节点发送拓扑识别报文的时间T1，子节点收到拓扑识别报文时，解析出T1，并且记录接收时间T2，然后各个子节点向主节点发送回传识别报文；

其中回传识别报文内部包括回传识别报文的发送时间T3以及T1和T2；

主节点接收到回传识别报文时，记录接收时间T4；

其中上述各个时间T1、T2、T3、T4的时间均为对应的主节点和子节点内置的高精度计时模块计时；

S3.2、根据S3.1中获取的各个时间节点，计算PLC载波信号的传输延时T；

其中，PLC载波信号的传输延时T的计算公式为：

；

S3.3、计算损坏节点与微组串控制单元之间的距离D；

在故障检测过程中，故障的子节点在接收到拓扑识别报文后，再向主节点发送回传识别报文内部携带故障信号；

主节点在接收到故障信号时，判断对应的子节点具有故障，将该损坏节点在主节点中进行标记，将该损坏节点此次的T1、T2、T3、T4标记为T1损、T2损、T3损、T4损，将T1损、T2损、T3损、T4损代入公式

后，获取该损坏节点与微组串控制单元之间的传输延时T损；

损坏节点与微组串控制单元之间的距离D损为PLC载波信号的传输延时T损和传输速度S的乘积，即D损=S×T损；

其中传输速度S可通过TX5111B便携式载波通信综合测试仪进行测量；

此外，在故障检测过程中，损坏节点无法接收拓扑识别报文或者无法向主节点发送回传识别报文时，主节点无法接收到该损坏节点回传信号，即能够在主节点内部标记，并识别出该节点为损坏节点；

S4、通过最小生成树算法，结合S2步骤中生成的智能微单元系统的连接图纸，区分出各个智能光伏组件的拓扑关系，初步确认智能微单元系统中的故障点位；

一个有n个结点的连通图的生成树是原图的极小连通子图，即S2步骤中获取的该智能微单元系统的连接图纸，且包含原图中的所有n个节点，并且有保持图连通的最少的边；

在一给定的无向图G=(V，E)中，(u，v)代表连接顶点u与顶点v的边，顶点u与顶点v分别代表了该智能微单元系统的微组串单元、各个智能接线盒、智能光伏组件以及连接线路，而w(u，v)代表此边的权重，即该智能微单元系统各个元器件之间的距离，若存在T为E的子集且为无循环图，使得联通所有结点的w(T)最小，则此T为G的最小生成树；

其中，通过最小生成树算法，判断出S3步骤中计算出的损坏节点与微组串控制单元之间的距离D，以距离D作为最小生成树的最短路径，以S2步骤中获取的该智能微单元系统的连接图纸，判断出与最小生成树的最短路径相匹配的微组串控制单元连接的节点，此节点即为初步确认智能微单元系统中的故障点位；

S5、通过PLC载波信号的信噪比和衰减信息矫正距离信息是否准确，确定智能微单元系统中的故障点位；其中，基于PLC载波信号的信噪比和衰减信息判断故障位置的距离信息为现有技术中的常见技术手段，在此不再赘述；

S6、根据确定的故障点位，判断出故障点位的电气元件种类，并且根据故障点位的电气元件种类判断该电气元件的损坏类型；

其中，如果故障点位在连接线路上，则判断该连接线路断路损坏；如果故障点位在智能接线盒上，则根据该智能接线盒是否能够向微组串控制单元传输信息，判断该智能接线盒的损坏类型是通信损坏还是电路损坏，如果故障点位在智能光伏组件上，则判断该智能光伏组件损坏，并由专业人员判断其损坏类型；

所述网关能够根据电力载波信号和所述故障识别模块判断出的故障具体产生的位置和故障的种类，下发控制信号，调节所述微组串控制单元的运行状态；

所述智能接线盒内部设置有追踪模块、关断模块和PLC控制模块；

所述追踪模块用于调节所述智能光伏组件的输出功率；

所述关断模块在所述智能光伏组件产生故障时，将所述智能光伏组件进行断电保持所述智能光伏组件的外部绝缘；

所述PLC控制模块能够执行内置的控制功能，所述PLC控制模块还能够与所述微组串控制单元之间进行信号交互；其中PLC控制模块内置的控制功能为自我协调功能；

PLC控制模块的自我协调功能如下：

通过PLC控制模块中内置的算法，能够将各个智能光伏组件背面设置的智能接线盒进行无感配网，在家用电站所组成的网络中，以主节点为中心，各个智能接线盒之间以及各个微组串单元之间采用树形拓扑网络；当主节点损坏时，各个智能接线盒之间以及各个微组串单元之间采用无头端MUSH网络；

其中树形拓扑网络中各个智能接线盒之间无法互相通信连接、各个微组串单元之间也不能互相通信连接，两个智能接线盒之间的通信连接仅能通过一个智能接线盒经过微组串单元上传到网关再经过微组串单元下发至另一个智能接线盒，两个微组串单元之间的通信连接仅能通过一个微组串单元上传到网关再下发至另一个微组串单元；

其中，无头端MUSH网络中，仅在主节点损坏时，各个智能接线盒之间无法互相通信连接，各个微组串单元之间能够通过MUSH网络连接，两个智能接线盒之间的通信连接仅能通过一个智能接线盒上传至微组串单元再经过微组串单元下发至另一个智能接线盒；

智能接线盒的PLC控制模块采用高精度对时机制，能够定时将载波节点信息主动上报，节省网关的报文信道开销，微组串单元能够汇集其连接的智能接线盒的上报信息，进一步节省下行信道，进一步提高网络效率；

智能接线盒能够监控其对应的智能光伏组件中的一部分的发电状态，能够通过PLC控制模块控制和调节该部分的运行模式，使得该区域能够独立地进行最大功率的发电，并且能够通过PLC控制模块采集并监控该部分的发电状态，包括发电功率、发电电压等，然后PLC控制模块根据控制逻辑以及采集数据对比判断该区域的故障情况；

并且在每个智能光伏组件中，每个智能接线盒能够根据当前的智能光伏组件进行串并联操作，从而获取在实际应用中，通过该智能光伏组件实际获取的电压和电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于微单元系统的家用电站，其特征在于：所述微组串控制单元能够通过螺丝固定、插接固定、粘贴固定中的任意一种固定方式或多种固定方式的组合固定在所述智能光伏组件的背面。

3.根据权利要求1所述的一种基于微单元系统的家用电站，其特征在于：在同一个智能微单元系统内部，各个智能光伏组件能够通过各自底部设置的智能接线盒进行接线；

在同一个所述智能光伏组件内部，各个智能光伏组件通过各自底部设置的智能接线盒与所述微组串控制单元之间的接线方式为串联、并联、串并联结合中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于微单元系统的家用电站，其特征在于：所述云端服务器分别与用户控制终端和总栈控制中心连接；

在每个智能微单元系统中，网关能够将各个微组串控制单元以及各个智能接线盒上传至网关的信息，上传至云端服务器。

5.根据权利要求4所述的一种基于微单元系统的家用电站，其特征在于：用户控制终端和总栈控制中心能够通过云端服务器向各个所述网关下发控制信号，通过所述网关下发的控制信号，分别控制所述网关对应的所述微组串控制单元和所述智能接线盒执行操作。

6.根据权利要求5所述的一种基于微单元系统的家用电站，其特征在于：所述家用电站在每户家庭中能够设置多个，当一个家用电站的网关损坏时，另一个家用电站的网关能够介入网关损坏的家用电站，介入的网关能够分别向两个家用电站的所述微组串控制单元和所述智能接线盒下发控制信号。

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